DE102014214965A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Steigungswertes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Steigungswertes mit den folgenden Schritten: – Erfassen von wenigstens zwei Druckgrößen mittels eines Drucksensors (DS) und wenigstens einer Beschleunigungsgröße mittels eines Beschleunigungssensors (BS) und – Erzeugen eines ersten Steigungswertes in Abhängigkeit der wenigstens zwei Druckgrößen und eines zweiten Steigungswertes in Abhängigkeit der wenigstens einen Beschleunigungsgröße, und dem weiteren Schritt: Ausgeben des ersten oder zweiten Steigungswertes in Abhängigkeit des Betrags Quotienten beider Steigungswerte.

Description

  • Feld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Steigungswertes.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Bestimmung von Steigungswerten, beispielsweise für Steigungswerte, die die Steigung einer Ebene unterhalb eines Fahrrads betreffen, bekannt. Darüber hinaus sind Vorrichtungen zur Verarbeitung gemessener Signale bekannt, wobei anhand einer Auswertung der gemessenen Signale, die an einem Fahrrad erzeugt werden, auf die Steigung einer Ebene unterhalb eines Fahrrads geschlossen werden kann.
  • So wird beispielsweise in der DE 40 11 560 A1 eine Vorrichtung behandelt, die durch eine Kombination eines elektronischen Kilometerzählers mit einem Pendel die von einem Fahrzeug durchfahrenen Höhendifferenzen und die Neigung des Fahrzeugs erfasst und anzeigt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Steigungswerts. Dabei werden unabhängig voneinander wenigstens zwei Druckgrößen und wenigstens eine Beschleunigungsgröße erfasst. Anschließend wird ein erster Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens zwei Druckgrößen und ein zweiter Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens einen Beschleunigungsgröße erzeugt. Der Steigungswert kann als Basiswert für weitere Datenverarbeitungen genommen werden. Die Vorrichtung weist zur Durchführung des Verfahrens eine Verarbeitungseinheit auf, wobei die Verarbeitungseinheit eine Steigungsgröße als Signal, das den ersten oder den zweiten Steigungswert repräsentiert, in Abhängigkeit des Betrags des Quotienten beider Steigungswerte ausgibt. Die wenigstens zwei Druckgrößen können mittels eines barometrischen Sensors erfasst werden. Die wenigstens eine Beschleunigungsgröße kann mittels eines Beschleunigungssensors, vorzugsweise mittels eines MEMS-Sensors erfasst werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrrad, insbesondere ein Elektrofahrrad. Dabei enthält das Fahrrad eine Vorrichtung geeignet zur Erzeugung eines Steigungswertes. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Insbesondere handelt es sich um die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Fahrrad enthält ferner ein System aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das System eine Einstellvorrichtung aufweist, und wobei die Einstellvorrichtung wenigstens einen Federparameter einer mechanischen Federung des Fahrrads in Abhängigkeit des errechneten Härtegradwertes verändert.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der erste oder zweite Steigungswert in Abhängigkeit des Betrags des Quotienten beider Steigungswerte ausgeben wird. Dabei wird insbesondere für den Fall, dass der Quotient größer 1 ist, der erste Steigungswert als Ausgabewert ausgegeben und für den Fall, dass der Quotient kleiner 1 ist, der zweite Steigungswert als Ausgabewert als ausgegeben. Alternativ kann der erste oder zweite Steigungswert in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Steigungswerten ausgegeben werden. Alternativ kann ferner der erste oder zweite Steigungswert in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Steigungswerts sowie mehrerer Fahrzeugparameter ausgegeben werden. Bei den Fahrzeugparametern kann es sich um eine Geschwindigkeit des Fahrrads und/oder eine Fahrbahnbeschaffenheit handeln. Alternativ kann der erste oder zweite Steigungswert in Abhängigkeit einer Gewichtungsfunktion ausgegeben werden. Die Gewichtungsfunktion berücksichtigt neben den Steigungswerten weitere Größen wie Geschwindigkeit des Fahrrads oder Informationen über die mechanische Federung.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels eines Beschleunigungssensors geschwindigkeitsunabhängig und auch im Stillstand des Fahrrads ein Steigungswert ermittelt werden kann, da die Neigung des Fahrrads gegenüber der Richtung der Erdbeschleunigung gemessen wird. Hintergrund dieser Möglichkeit, die Steigung im Stillstand zu messen, ist, dass mit dem Beschleunigungssensor stets auch die Erdbeschleunigung gemessen und der Wert der Erdbeschleunigung bei der weiteren Betrachtung herausgerechnet wird. Mittels der Richtung eines Vektors der Erdbeschleunigung kann auch eine vertikale Raumachse durch den Beschleunigungssensor festgelegt werden. Verändert sich die Lage des Beschleunigungssensors, beispielsweise durch ein Drehen des Sensors, verbunden mit einem Kippen der anhand der Erdbeschleunigung abgeleiteten Raumachse gegenüber der Richtung des Vektors der Erdbeschleunigung, kann anhand der Veränderung der gemessenen Beschleunigung, der Kippwinkel des Sensors bestimmt werden. Der ausgegebene Steigungswert kann zur Ansteuerung eines Motors verwendet werden, wobei der Motor dem Betrieb eines Elektrofahrrads dienen kann. Je größer die Steigung ist, desto größer wird die Unterstützung des Elektrofahrrads durch den Motor sein. Ferner kann der ausgegebene Steigungswert im Rahmen einer Sportanzeige genutzt werden, um beispielsweise den Energieaufwand beim Betrieb des Fahrrads zu bestimmen. Hintergrund der Bestimmung des Energieaufwandes beim Betrieb des Fahrrads ist, dass bei höherer Steigung der Fahrer des Fahrrads eine höhere Kraft aufbringen muss, um das Fahrrad anzutreiben. Je höher die Kraft ist, die der Fahrer aufbringen muss, desto höher ist auch sein Energieaufwand.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Signal, das einen Härtegradwert einer mechanischen Federung einer Fahrradkomponente repräsentiert, in Abhängigkeit des Quotienten beider Steigungswerte ausgegeben. Alternativ kann dieses Signal auch in Abhängigkeit einer Differenz der beiden Steigungswerte ausgegeben werden. Bei der mechanischen Federung kann es sich um eine Vorderachsfederung, um eine Hinterachsfederung oder um eine Sattelfederung handeln.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens ein Federparameter der mechanischen Federung in Abhängigkeit des anhand des Modells errechneten Härtegradwertes eingestellt. Bei dem Federparameter kann es sich um die Dämpfung der mechanischen Federung handeln. Zur Einstellung des Federparameters ist insbesondere eine Einstellvorrichtung vorgesehen. Dabei kann es sich bei der Einstellvorrichtung um einen Motor, insbesondere um einen Elektromotor, oder um eine Vorrichtung zur Veränderung eines physikalischen Zustands einer Flüssigkeit handeln. Zur Veränderung des physikalischen Zustands, kann beispielsweise ein Druck, eine Temperatur, oder eine Viskosität der Flüssigkeit verändert werden. Die Einstellvorrichtung ist beispielsweise an einer Vorderachsfeder des Fahrrads und/oder an einer Hinterachsfeder und/oder an einer Sattelfederung des Fahrrads angeordnet.
  • Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist zur Erfassung der wenigstens zwei Druckgrößen ein Drucksensor an einem Lenker des Fahrrads angeordnet.
  • Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist zur Erfassung der wenigstens einen Beschleunigungsgröße ein Beschleunigungssensor in einer Getriebeeinheit des Fahrrads und/oder in einem Motor des Fahrrads angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem Motor um einen Mittelmotor des Elektrofahrrads.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Es zeigt:
  • 1 die schematische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer mittels eines Beschleunigungssensors ermittelten Steigungsgröße und einer mittels wenigstens zweier Drucksensoren ermittelten zweiten Steigungsgröße;
  • 2 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrrads;
  • 3 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 4 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, erläutert. Einige Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.
  • In 1 ist ein Zusammenhang zwischen einem Sensorsignal SG, das eine Steigung einer Ebene unter einem Fahrrad aus einer Sensorinformation repräsentiert, und der tatsächlichen Steigung ST der Ebene schematisch dargestellt. Mit 101 wird der Verlauf der Steigungsgröße dargestellt, die in Abhängigkeit eines Beschleunigungssensors erfasst worden ist. Mit 102 wird der Verlauf der Steigungsgröße dargestellt, die in Abhängigkeit mindestens zweier Drucksensoren erfasst worden ist. Die Steigungsgrößen sind Signale, die Steigungswerte repräsentieren. Bis zu einem bestimmten, von der Art des Beschleunigungssensors abhängigen Steigungswert stimmen beide Steigungsgrößen mit der tatsächlichen Steigung weitestgehend überein. Ab diesem Steigungswert liegt die in Abhängigkeit eines Beschleunigungssensors ermittelte Steigungsgröße oberhalb der tatsächlichen Steigung. Die in Abhängigkeit des Drucksensors bestimmte Steigungsgröße entspricht weiterhin der tatsächlichen Steigung. Die Verschiedenheit zwischen den Verläufen 101 und 102 der Steigungsgrößen rührt vor allem daher, dass sich bei einem Fahrrad gerade im Fall eines Bergauffahrens die Lastverteilung in Richtung der Hinterachse verschiebt. Dadurch wird im Fahrbetrieb in Abhängigkeit des Beschleunigungssensors eine größere Steigung ermittelt, als in Abhängigkeit des Drucksensors. Hintergrund ist, dass durch die Erhöhung der Last auf die Hinterachse, eine an der Vorderachse angebrachte Federung auseinandergeht, was zu einem Kippen des Fahrrads gegenüber seinem Untergrund und gegenüber der Richtung der Erdbeschleunigung führt. Dadurch misst der Beschleunigungssensor bei einer durch Bergauffahren verursachten Lasterhöhung auf der Hinterachse größere Steigungen. Der Drucksensor hingegen misst lediglich den Druckunterscheid an wenigstens zwei Orten der durch das Kippen des Fahrrads kaum beeinflusst wird. Daher entspricht die Steigungsmessung mittels des Drucksensors eher der tatsächlichen Steigung. Während eines normalen Fahrbetriebs können beide Steigungsgrößen miteinander verglichen werden. Die Differenzen oder Quotienten der beiden Steigungsgrößen können über eine Look-Up-Tabelle verzeichnet werden. Eine große Differenz der beiden ermittelten Steigungsgrößen kann darauf hinweisen, dass entweder eine sehr weiche Einstellung der Federung des Fahrrads vorliegt, weil die Federung leicht auseinandergeht, oder andererseits, dass ein voll gefedertes Fahrrad vorliegt, weil das Kippen des Fahrrads durch eine zu weiche Vorderachsfederung und durch eine Hinterachsfederung weiter verstärkt wird.
  • Die Information über die zu weiche mechanische Federung kann dem Fahrer bereitgestellt werden oder bei einer automatisch einstellbaren mechanischen Federung als Information genutzt werden. Im Fall der automatisch einstellbaren mechanischen Federung kann die Information zur Einstellung der mechanischen Federung verwendet werden. Ändert sich die Differenz zwischen den Steigungsgrößen regelmäßig, kann dies darauf hindeuten, dass unterschiedliche Fahrer dasselbe Fahrrad benutzen. Diese Information kann beispielswiese gespeichert und vor allem im Wartungsfall für Analysen benutzt werden, da anhand der Information eine mögliche, von dem Gewicht des Fahrers abhängige Abnutzung des Fahrrads bestimmt werden kann.
  • Die Information über die mechanische Federung sowie die Analyse der beiden Steigungsgrößen bei verschiedenen Fahrsituationen kann darüber hinaus dafür verwendet werden, um einen Steigungswert zu erzeugen, welcher zur Anzeige oder zur Ansteuerung des Motors verwendet werden kann. Insgesamt wird hierfür allgemein eine Funktion aufgestellt: α = f(αbaro, αacc, v, kFeder, p) (1) wobei α die ausgegebene Steigung, αbaro die Steigung, die durch einen barometrischen Drucksensor berechnet wird, αacc die Steigung, die durch den Beschleunigungssensor repräsentiert wird, v die Fahrzeuggeschwindigkeit und kFeder die Federsteifigkeit und p weitere Fahrrad- und Fahrbahnparameter, wie die Fahrbahnbeschaffenheit, darstellen. In einem bevorzugten Fall kann die Funktion lauten: α = Aαbaro+ B(αacc,+ C) (2) dabei sind A und B die Gewichtsfaktoren, die in der Summe den Wert 1 ergeben. C stellt ein Korrekturterm dar, der den Wert des Beschleunigungssensors korrigiert und gemäß der zuvor bestimmten Look-Up Tabelle ermittelt wird. Wird festgestellt, dass über den gesamten Steigungsbereich keine Differenzen zwischen ermittelten Steigungen von barometrischem Drucksensor und Beschleunigungssensor auftreten, so ist die Federung wahrscheinlich hart eingestellt oder gegebenenfalls nicht vorhanden. Dadurch kann während der Fahrt hauptsächlich der Wert des Beschleunigungssensors als Steigungsreferenz, die zur Regelung und Anzeige benutzt wird, verwendet werden. Somit ergibt sich in Gleichung (2) für die Gewichtsfaktoren A = 0 und B = 1. Die gleiche Gewichtung wird ebenfalls im Stand vorgenommen, v = 0 km/h, da der Wert αbaro nicht zur Verfügung steht.
  • In einem anderen Fall, in dem stets Differenzen zwischen Beschleunigungssensor und barometrischem Drucksensor über den gesamten Bereich auftreten, wird ausschließlich der Wert des Drucksensors verwendet, da dieser weitgehend unabhängig von Größen der Federgabel ist. Für die Gewichtsfaktoren ergeben sich dann in Gleichung (2) A = 1 und B = 0.
  • In bestimmten Fällen kann es sein, dass situationsabhängig der barometrische Drucksensor oder der Beschleunigungssensor das zuverlässigere Signal ausgibt. Wenn beispielsweise eine Geländefahrt durchgeführt wird oder stark beschleunigt wird, wird der Beschleunigungssensor gegebenenfalls gestört und das Signal des barometrischen Drucksensors ist zuverlässiger. In anderen Fällen, wie vorzugsweise auf ebener Fahrbahn und bei geringer Steigung, liefert in der Regel der Beschleunigungssensor das im Vergleich zum barometrischen Sensor zuverlässigere Signal.
  • In 2 ist das erfindungsgemäße Fahrrad gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Mit F wird ein Fahrrad bezeichnet. Mit DS wird ein Drucksensor bezeichnet. Mit FG wird eine Federgabel bezeichnet. Mit M wird ein Motor bezeichnet. Mit AE wird eine Antriebseinheit bezeichnet, wobei in der Antriebseinheit AE ein Beschleunigungssensor BS angeordnet sein kann. Mit V wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Steigungswertes bezeichnet. Die Vorrichtung V enthält eine Verarbeitungseinheit VA bezeichnet. Die Verarbeitungseinheit VA ist beispielsweise am Lenker des Fahrrads F angebracht und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
  • In 3 ist eine Vorrichtung V zur Erzeugung eines Steigungswertes schematisch dargestellt. Die Vorrichtung V weist eine Verarbeitungseinheit VA zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Die Verarbeitungseinheit VA erfasst sensorisch ermittelte Signale. Die Signale können mittels eines Sensors BS und eines Sensors DS erfasst und an die Verarbeitungseinheit VA übertragen werden. Bei dem Sensor BS kann es sich um einen Beschleunigungssensor handeln. Bei dem Sensor DS kann es sich um einen Drucksensor handeln. Die Verarbeitungseinheit VA erzeugt Steigungsgrößen als Signale, wobei die Steigungsgrößen Steigungswerte repräsentieren.
  • Die Steigungsgrößen können aus der Verarbeitungseinheit VA ausgegeben und an eine Anzeige A übertragen werden und dort als Steigungswerte angezeigt werden. Zur Erzeugung von Steuersignalen kann sich eine Motorsteuerung innerhalb oder außerhalb der Verarbeitungseinheit VA befinden. Die Steuersignale können an einen Motor M übertragen werden. Der Motor M kann zum Betrieb eines Elektrofahrrads genutzt werden, insbesondere kann der Motor M zum Betrieb des Elektrofahrrads während des Anfahrens aus dem Stillstand heraus genutzt werden. Andere erzeugte Steuersignale können an eine Einstellvorrichtung E übertragen werden; zur Erzeugung dieser anderen Signale kann sich eine Einstellsteuerung innerhalb oder außerhalb der Verarbeitungseinheit VA befinden. Die Einstellvorrichtung E kann zum Einstellen einer mechanischen Federung eines Fahrrads genutzt werden. Die Steigungswerte können zudem zu einer Speichervorrichtung S übertragen und dort gespeichert werden. Die in der Speichervorrichtung S gespeicherten Steigungswerte können zu Analysezwecken verwendet werden.
  • In 4 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch dargestellt. Das Verfahren wird automatisch eingeleitet. In Erfassungsschritt 1 werden wenigstens zwei Druckgrößen und wenigstens eine Beschleunigungsgröße erfasst. Im darauf folgenden Erzeugungsschritt 2 wird ein Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens zwei Druckgrößen und ein anderer Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens einen Beschleunigungsgröße erzeugt. In dem darauf folgenden Prüfschritt 3 wird geprüft, welcher der beiden Steigungswerte ausgegeben werden soll. Zu diesem Zweck wird ein Quotient des zweiten Steigungswertes zu dem ersten Steigungswert gebildet. In Abhängigkeit des Betrags dieses Quotienten wird in Ausgabeschritt 4 der erste oder der zweite Steigungswert ausgegeben oder gespeichert. Die Ausgabe erfolgt vorzugsweise auf einer Anzeigevorrichtung A eines Tachometers. In Abschlussschritt 5 wird das Verfahren abgeschlossen. Das Verfahren kann nach dem Abschlussschritt 6 wiederholt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4011560 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Steigungswertes mit den folgenden Schritten: – Erfassen von wenigstens zwei Druckgrößen mittels eines Drucksensors (DS) und wenigstens einer Beschleunigungsgröße mittels eines Beschleunigungssensors (BS) und – Erzeugen eines ersten Steigungswertes in Abhängigkeit der wenigstens zwei Druckgrößen und eines zweiten Steigungswertes in Abhängigkeit der wenigstens einen Beschleunigungsgröße, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: – Ausgeben des ersten oder zweiten Steigungswertes in Abhängigkeit des Betrags des Quotienten beider Steigungswerte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: – Ausgeben eines errechneten Härtegradwertes einer mechanischen Federung (FG) in Abhängigkeit des Quotienten beider Steigungswerte.
  3. Verfahren, enthaltend die Verfahrensschritte nach Anspruch 2, zur Ansteuerung einer Einstellvorrichtung (E), gekennzeichnet durch den Schritt: – Verändern wenigstens eines Federparameters der mechanischen Federung (FG) in Abhängigkeit des errechneten Härtegradwertes.
  4. Vorrichtung (V) zur Erzeugung eines Steigungswertes, aufweisend eine Verarbeitungseinheit (VA), die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 geeignet ist, und wobei die Verarbeitungseinheit (VA) – wenigstens zwei sensorisch ermittelte Druckgrößen und wenigstens eine sensorisch ermittelte Beschleunigungsgröße erfasst und – einen ersten Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens zwei Druckgrößen erzeugt und einen zweiten Steigungswert in Abhängigkeit der wenigstens einen Beschleunigungsgröße erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verarbeitungseinheit (VA) ein Signal, das den ersten oder den zweiten Steigungswert repräsentiert, in Abhängigkeit des Betrags des Quotienten beider Steigungswerte ausgibt.
  5. Vorrichtung (V) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (VA) ein Signal, das einen Härtegradwert einer mechanischen Federung (FG) repräsentiert, in Abhängigkeit des Betrags des Quotienten beider Steigungswerte ausgibt.
  6. System, enthaltend eine Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Einstellvorrichtung (E) aufweist, und wobei die Einstellvorrichtung (E) wenigstens einen Federparameter der mechanischen Federung (FG) in Abhängigkeit des errechneten Härtegradwertes verändert.
  7. Fahrrad (F), vorzugsweise Elektrofahrrad, enthaltend eine Vorrichtung (V) nach einem der Ansprüche 4 bis 5.
  8. Fahrrad (F) nach Anspruch 7, aufweisend ein System nach Anspruch 6.
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